FFmpeg流媒体处理-收流与推流

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1. 简介

流媒体是使用了流式传输的多媒体应用技术。如下是维基百科关于流媒体概念的定义：

流媒体 (streaming media) 是指将一连串的媒体数据压缩后，经过网络分段发送数据，在网络上即时传输影音以供观赏的一种技术与过程，此技术使得数据包得以像流水一样发送；如果不使用此技术，就必须在使用前下载整个媒体文件。

关于流媒体的基础概念，观止云的 “流媒体｜从入门到出家” 系列文章极具参考价值，请参考本文第 5 节参考资料部分。

1.1 FFmpeg 影音处理的层次

FFmpeg 中对影音数据的处理，可以划分为协议层、容器层、编码层与原始数据层四个层次：

协议层：提供网络协议收发功能，可以接收或推送含封装格式的媒体流。协议层由 libavformat 库及第三方库(如 librtmp)提供支持。

容器层：处理各种封装格式。容器层由 libavformat 库提供支持。

编码层：处理音视频编码及解码。编码层由各种丰富的编解码器(libavcodec 库及第三方编解码库(如 libx264))提供支持。

原始数据层：处理未编码的原始音视频帧。原始数据层由各种丰富的音视频滤镜(libavfilter 库)提供支持。

本文提及的收流与推流的功能，属于协议层的处理。

FFmpeg 中 libavformat 库提供了丰富的协议处理及封装格式处理功能，在打开输入/输出时，FFmpeg 会根据 输入 URL / 输出 URL 探测输入/输出格式，选择合适的协议和封装格式。例如，如果输出 URL 是 "rtmp://192.168.0.104/live"，那么 FFmpeg 打开输出时，会确定使用 rtmp 协议，封装格式为 flv。

FFmpeg 中打开输入/输出的内部处理细节用户不必关注，因此本文流处理的例程和前面转封装的例程非常相似，不同之处主要在于输入/输出 URL 形式不同，若 URL 携带 "rtmp://"、"rpt://"、"udp://"等前缀，则表示涉及流处理；否则，处理的是本地文件。

1.2 流媒体系统中的角色

流媒体系统是一个比较复杂的系统，简单来说涉及三个角色：流媒体服务器、推流客户端和收流客户端。推流客户端是内容生产者，收流客户端是内容消费者。示意图如下：

1.3 收流与推流

如果输入是网络流，输出是本地文件，则实现的是收流功能，将网络流存储为本地文件，如下：

如果输入是本地文件，输出是网络流，则实现的是推流功能，将本地文件推送到网络，如下：

如果输入是网络流，输出也是网络流，则实现的是转流功能，将一个流媒体服务器上的流推送到另一个流媒体服务器，如下：

2. 源码

源码和转封装例程大部分相同，可以认为是转封装例程的增强版：

#include <stdbool.h>
#include <libavutil/timestamp.h>
#include <libavformat/avformat.h>

// ffmpeg -re -i tnhaoxc.flv -c copy -f flv rtmp://192.168.0.104/live
// ffmpeg -i rtmp://192.168.0.104/live -c copy tnlinyrx.flv
// ./streamer tnhaoxc.flv rtmp://192.168.0.104/live
// ./streamer rtmp://192.168.0.104/live tnhaoxc.flv
int main(int argc, char **argv)
{
    AVOutputFormat *ofmt = NULL;
    AVFormatContext *ifmt_ctx = NULL, *ofmt_ctx = NULL;
    AVPacket pkt;
    const char *in_filename, *out_filename;
    int ret, i;
    int stream_index = 0;
    int *stream_mapping = NULL;
    int stream_mapping_size = 0;

    if (argc < 3) {
        printf("usage: %s input output\n"
               "API example program to remux a media file with libavformat and libavcodec.\n"
               "The output format is guessed according to the file extension.\n"
               "\n", argv[0]);
        return 1;
    }

    in_filename  = argv[1];
    out_filename = argv[2];

    // 1. 打开输入
    // 1.1 读取文件头，获取封装格式相关信息
    if ((ret = avformat_open_input(&ifmt_ctx, in_filename, 0, 0)) < 0) {
        printf("Could not open input file '%s'", in_filename);
        goto end;
    }
    
    // 1.2 解码一段数据，获取流相关信息
    if ((ret = avformat_find_stream_info(ifmt_ctx, 0)) < 0) {
        printf("Failed to retrieve input stream information");
        goto end;
    }

    av_dump_format(ifmt_ctx, 0, in_filename, 0);

    // 2. 打开输出
    // 2.1 分配输出ctx
    bool push_stream = false;
    char *ofmt_name = NULL;
    if (strstr(out_filename, "rtmp://") != NULL) {
        push_stream = true;
        ofmt_name = "flv";
    }
    else if (strstr(out_filename, "udp://") != NULL) {
        push_stream = true;
        ofmt_name = "mpegts";
    }
    else {
        push_stream = false;
        ofmt_name = NULL;
    }
    avformat_alloc_output_context2(&ofmt_ctx, NULL, ofmt_name, out_filename);
    if (!ofmt_ctx) {
        printf("Could not create output context\n");
        ret = AVERROR_UNKNOWN;
        goto end;
    }

    stream_mapping_size = ifmt_ctx->nb_streams;
    stream_mapping = av_mallocz_array(stream_mapping_size, sizeof(*stream_mapping));
    if (!stream_mapping) {
        ret = AVERROR(ENOMEM);
        goto end;
    }

    ofmt = ofmt_ctx->oformat;

    AVRational frame_rate;
    double duration;

    for (i = 0; i < ifmt_ctx->nb_streams; i++) {
        AVStream *out_stream;
        AVStream *in_stream = ifmt_ctx->streams[i];
        AVCodecParameters *in_codecpar = in_stream->codecpar;

        if (in_codecpar->codec_type != AVMEDIA_TYPE_AUDIO &&
            in_codecpar->codec_type != AVMEDIA_TYPE_VIDEO &&
            in_codecpar->codec_type != AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE) {
            stream_mapping[i] = -1;
            continue;
        }

        if (push_stream && (in_codecpar->codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO)) {
            frame_rate = av_guess_frame_rate(ifmt_ctx, in_stream, NULL);
            duration = (frame_rate.num && frame_rate.den ? av_q2d((AVRational){frame_rate.den, frame_rate.num}) : 0);
        }

        stream_mapping[i] = stream_index++;

        // 2.2 将一个新流(out_stream)添加到输出文件(ofmt_ctx)
        out_stream = avformat_new_stream(ofmt_ctx, NULL);
        if (!out_stream) {
            printf("Failed allocating output stream\n");
            ret = AVERROR_UNKNOWN;
            goto end;
        }

        // 2.3 将当前输入流中的参数拷贝到输出流中
        ret = avcodec_parameters_copy(out_stream->codecpar, in_codecpar);
        if (ret < 0) {
            printf("Failed to copy codec parameters\n");
            goto end;
        }
        out_stream->codecpar->codec_tag = 0;
    }
    av_dump_format(ofmt_ctx, 0, out_filename, 1);

    if (!(ofmt->flags & AVFMT_NOFILE)) {    // TODO: 研究AVFMT_NOFILE标志
        // 2.4 创建并初始化一个AVIOContext，用以访问URL(out_filename)指定的资源
        ret = avio_open(&ofmt_ctx->pb, out_filename, AVIO_FLAG_WRITE);
        if (ret < 0) {
            printf("Could not open output file '%s'", out_filename);
            goto end;
        }
    }

    // 3. 数据处理
    // 3.1 写输出文件头
    ret = avformat_write_header(ofmt_ctx, NULL);
    if (ret < 0) {
        printf("Error occurred when opening output file\n");
        goto end;
    }

    while (1) {
        AVStream *in_stream, *out_stream;

        // 3.2 从输出流读取一个packet
        ret = av_read_frame(ifmt_ctx, &pkt);
        if (ret < 0) {
            break;
        }

        in_stream  = ifmt_ctx->streams[pkt.stream_index];
        if (pkt.stream_index >= stream_mapping_size ||
            stream_mapping[pkt.stream_index] < 0) {
            av_packet_unref(&pkt);
            continue;
        }

        int codec_type = in_stream->codecpar->codec_type;
        if (push_stream && (codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO)) {
            av_usleep((int64_t)(duration*AV_TIME_BASE));
        }

        pkt.stream_index = stream_mapping[pkt.stream_index];
        out_stream = ofmt_ctx->streams[pkt.stream_index];

        /* copy packet */
        // 3.3 更新packet中的pts和dts
        // 关于AVStream.time_base(容器中的time_base)的说明：
        // 输入：输入流中含有time_base，在avformat_find_stream_info()中可取到每个流中的time_base
        // 输出：avformat_write_header()会根据输出的封装格式确定每个流的time_base并写入文件中
        // AVPacket.pts和AVPacket.dts的单位是AVStream.time_base，不同的封装格式AVStream.time_base不同
        // 所以输出文件中，每个packet需要根据输出封装格式重新计算pts和dts
        av_packet_rescale_ts(&pkt, in_stream->time_base, out_stream->time_base);
        pkt.pos = -1;

        // 3.4 将packet写入输出
        ret = av_interleaved_write_frame(ofmt_ctx, &pkt);
        if (ret < 0) {
            printf("Error muxing packet\n");
            break;
        }
        av_packet_unref(&pkt);
    }

    // 3.5 写输出文件尾
    av_write_trailer(ofmt_ctx);

end:
    avformat_close_input(&ifmt_ctx);

    /* close output */
    if (ofmt_ctx && !(ofmt->flags & AVFMT_NOFILE)) {
        avio_closep(&ofmt_ctx->pb);
    }
    avformat_free_context(ofmt_ctx);

    av_freep(&stream_mapping);

    if (ret < 0 && ret != AVERROR_EOF) {
        printf("Error occurred: %s\n", av_err2str(ret));
        return 1;
    }

    return 0;
}

2.1 收流

收流的代码与打开普通文件的代码没有区别，打开输入时，FFmpeg 能识别流协议及封装格式，根据相应的协议层代码来接收流，收到流数据去掉协议层后得到的数据和普通文件内容是一样的，后续的处理流程也就一样了。

2.2 推流

推流有两个需要注意的地方。

一是需要根据输出流协议显式指定输出 URL 的封装格式：

    bool push_stream = false;
    char *ofmt_name = NULL;
    if (strstr(out_filename, "rtmp://") != NULL) {
        push_stream = true;
        ofmt_name = "flv";
    }
    else if (strstr(out_filename, "udp://") != NULL) {
        push_stream = true;
        ofmt_name = "mpegts";
    }
    else {
        push_stream = false;
        ofmt_name = NULL;
    }
    avformat_alloc_output_context2(&ofmt_ctx, NULL, ofmt_name, out_filename);

这里只写了两种。rtmp 推流必须推送 flv 封装格式，udp 推流必须推送 mpegts 封装格式，其他情况就当作是输出普通文件。这里使用 push_stream 变量来标志是否使用推流功能，这个标志后面会用到。

二是要注意推流的速度，不能一股脑将收到的数据全推出去，这样流媒体服务器承受不住。可以按视频播放速度(帧率)来推流。因此每推送一个视频帧，要延时一个视频帧的时长。音频流的数据量很小，可以不必关心此问题。

在打开输入 URL 时，获取视频帧的持续时长：

    AVRational frame_rate;
    double duration;
    if (push_stream && (in_codecpar->codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO)) {
        frame_rate = av_guess_frame_rate(ifmt_ctx, in_stream, NULL);
        duration = (frame_rate.num && frame_rate.den ? av_q2d((AVRational){frame_rate.den, frame_rate.num}) : 0);
    }

在 av_read_frame() 之后，av_interleaved_write_frame() 之前增加延时，延时时长就是一个视频帧的持续时长：

    int codec_type = in_stream->codecpar->codec_type;
    if (push_stream && (codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO)) {
        av_usleep((int64_t)(duration*AV_TIME_BASE));
    }

3. 验证

3.1 编译第三方库 librtmp

FFmpeg 默认并不支持 rtmp 协议。需要先编译安装第三方库 librtmp，然后开启 --enable-librtmp 选项重新编译安装 FFmpeg。具体方法参考："FFmpeg 开发环境构建"

3.2 搭建流媒体服务器

测试收流与推流功能需要搭建流媒体服务器。我们选用 nginx-rtmp 作为流媒体服务器用于测试。nginx-rtmp 服务器运行于虚拟机上，推流客户端与收流客户端和 nginx-rtmp 服务器处于同一局域网即可。我的虚拟机是 OPENSUSE LEAP 42.3，IP 是 192.168.0.104(就是 nginx-rtmp 服务器的地址)。

为避免搭建服务器的繁琐过程，我们直接使用 docker 拉取一个 nginx-rtmp 镜像。步骤如下：

[1] 安装与配置docker服务

安装 docker：

sudo zypper install docker

将当前用户添加到 docker 组(若 docker 组不存在则先创建)，从而可以免 sudo 使用 docker 命令：

sudo gpasswd -a ${USER} docker

[2] 配置镜像加速

docker 镜像源位于美国，摘取镜像非常缓慢。可配置国内镜像源，加快镜像拉取速度。

修改 /etc/docker/daemon.json 文件并添加上 registry-mirrors 键值：

{
    "registry-mirrors":
    [
        "https://registry.docker-cn.com",
        "https://docker.mirrors.ustc.edu.cn",
        "https://hub-mirror.c.163.com",
        "https://mirror.ccs.tencentyun.com"
    ]
}

上述配置文件添加了四个国内镜像源：docker 中国、清华、163 和腾讯。

修改配置文件后重启 docker 服务：

systemctl restart docker

[3] 拉取 nginx-rtmp 镜像

docker pull tiangolo/nginx-rtmp

[4] 打开容器

docker run -d -p 1935:1935 --name nginx-rtmp tiangolo/nginx-rtmp

[5] 防火墙添加例外端口

如果无法推流，应在防火墙中将 1935 端口添加例外

openSUSE 系统：修改 /etc/sysconfig/SuSEfirewall2 文件，在 FW_SERVICES_EXT_TCP 项中添加 1935 端口，如下：

FW_SERVICES_EXT_TCP="ssh 1935"

然后重启防火墙：

systemctl restart SuSEfirewall2

CentOS 8 系统：运行如下命令将 1935 端口添加到防火墙例外端口中：

firewall-cmd --permanent --zone=public --add-port=1935/tcp

[6] 验证服务器

测试文件下载(右键另存为)：tnhaoxc.flv

ffmpeg 推流测试：

ffmpeg -re -i tnhaoxc.flv -c copy -f flv rtmp://192.168.0.104/live

"-re"：按视频帧率的速度读取输入
"-c copy"：输出流使用和输入流相同的编解码器
"-f flv"：指定输出流封装格式为flv

ffplay 收流播放测试：

ffplay rtmp://192.168.0.104/live

ffplay 播放正常，说明 nginx-rtmp 流媒体服务器搭建成功，可正常使用。

3.3 编译

在 shell 中运行如下命令下载例程源码：

svn checkout https://github.com/leichn/exercises/trunk/source/ffmpeg/ffmpeg_stream

在源码目录执行 ./compile.sh 命令，生成 streamer 可执行文件。

3.4 验证

测试文件下载(右键另存为)：shifu.mkv，将测试文件保存在和源码同一目录。

推流测试：

./streamer shifu.mkv rtmp://192.168.0.104/live

使用 vlc 播放器打开网络串流，输入流地址 "rtmp://192.168.0.104/live"，播放正常。上述测试命令等价于：

ffmpeg -re -i shifu.mkv -c copy -f flv rtmp://192.168.0.104/live

收流测试：先按照上一步命令启动推流，然后运行如下命令收流

./streamer rtmp://192.168.0.104/live shifu.ts

以上测试命令等价于：

ffmpeg -i rtmp://192.168.0.104/live -c copy shifu.ts

接收结束后检查一下生成的本地文件 shifu.ts 能否正常播放。

4. 遗留问题

推流的问题：不管是用 ffmpeg 命令，还是用本测试程序，推流结束时会打印如下信息

[flv @ 0x22ab9c0] Timestamps are unset in a packet for stream 0. This is deprecated and will stop working in the future. Fix your code to set the timestamps properly
Larger timestamp than 24-bit: 0xffffffc2
[flv @ 0x22ab9c0] Failed to update header with correct duration.
[flv @ 0x22ab9c0] Failed to update header with correct filesize.

收流的问题：推流结束后，收流超时未收以数据，会打印如下信息后程序退出运行

RTMP_ReadPacket, failed to read RTMP packet header

5. 参考资料

[1] 雷霄骅, RTMP流媒体技术零基础学习方法
[2] 观止云, 【流媒体｜从入门到出家】：流媒体原理（上）
[3] 观止云, 【流媒体｜从入门到出家】：流媒体原理（下）
[4] 观止云, 【流媒体｜从入门到出家】：流媒体系统（上）
[5] 观止云, 【流媒体｜从入门到出家】：流媒体系统（下）
[6] 观止云, 总结：从一个直播APP看流媒体系统的应用

6. 修改记录

2019-03-29 V1.0 初稿